徐 波，王智洪

(1．中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南 新鄉(xiāng)453000;2．中石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州450006)

0 引言

大牛地氣田鉆井揭露的地層有第四系，白堊系志丹群，侏羅系安定組、直羅組、延安組，三疊系延長組、二馬營組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組，奧陶系上馬家溝組，鉆井平均揭露地層厚度3000 m。石盒子組發(fā)育泥巖，鉆井過程中常發(fā)生縮徑以及“大肚子”的情況，直接影響工程進度。如2012年實施的DPS－8井，在石盒子組造斜井段鉆遇泥巖，發(fā)生遇阻，測井前通井遇阻，直接損失時間達90.5 h。因此，解決好石盒子組泥巖井壁穩(wěn)定問題，是大牛地氣田水平井實現(xiàn)優(yōu)快鉆完井的重要保障。

國內(nèi)學(xué)者對泥巖井壁問題進行了大量研究［1－4］，認為井壁穩(wěn)定是復(fù)雜的力學(xué)與鉆井液化學(xué)耦合問題，從鉆井液方面來說，維護井壁穩(wěn)定主要是控制好鉆井液密度、提高鉆井液抑制性和封堵性。本文主要從鉆井液抑制性方面入手，提高鉀銨基聚合物鉆井液維護井壁穩(wěn)定能力。

1 石盒子組泥巖段失穩(wěn)機理分析

1．1 石盒子組粘土礦物及含量

選取大牛地氣田石盒子組3個層位的代表性巖樣進行了粘土礦物的抽提，并進行了X衍射分析，分析結(jié)果如表1所示，該區(qū)粘土礦物總含量較小，不超過10%，主要的粘土礦物類型有伊利石、高嶺石、綠泥石以及伊蒙間層礦物，伊利石和高嶺石相對含量最高，綠泥石次之，伊蒙間層礦物相對含量最低。

表1 石盒子組儲層巖石粘土礦物含量XRD分析結(jié)果

1．2 石盒子組泥巖段失穩(wěn)機理分析

鉆井過程中引起井壁失穩(wěn)的原因主要有2個方面:一是鉆井液密度低，鉆井液液柱壓力低于地層孔隙應(yīng)力，難以支撐力學(xué)不穩(wěn)定地層;二是鉆井液液柱壓力高于地層孔隙應(yīng)力，驅(qū)使鉆井液進入泥頁巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)，使井眼附近的泥頁巖含水量增加，孔隙壓力增大，泥頁巖強度降低。由后一種地層不穩(wěn)定因素引起井壁失穩(wěn)的原因是鉆井液中的濾液進入泥頁巖地層后在引起的泥頁巖膨脹力和泥頁巖的運移，它也是最受關(guān)注的井壁穩(wěn)定問題。這是因為鉆井液侵入泥頁巖地層后會導(dǎo)致泥頁巖地層3個方面的變化:(1)鉆井液壓力侵入，孔隙壓力升高，減少有效應(yīng)力;(2)膨脹力升高(如:由于粘土層發(fā)生陽離子交換)，有效應(yīng)力下降;(3)粘土礦物粘結(jié)鍵的化學(xué)改變及減弱。它的影響可能通過調(diào)節(jié)泥頁巖強度及破壞如內(nèi)聚力及摩擦角等參數(shù)而引起井壁失穩(wěn)。

石盒子組泥巖段井壁失穩(wěn)也正是如此。以DPS－8井為例，鉆井液液柱壓力高于地層孔隙壓力，在泥巖和砂巖過渡帶滲透率較大，鉆井液大量濾液長驅(qū)直入進入該層孔隙。由于濾液抑制性不足，造成粘土礦物膨脹、分散、運移、剝落，在工程上表現(xiàn)為縮徑，超過一定時間而剝落，最后形成“大肚子”井眼。導(dǎo)致通井遇阻，鉆具不能到底而進入“大肚子”內(nèi)，反復(fù)劃眼通過，但也損失大量時間。

在鉆井過程中鉆遇泥頁巖地層時，當(dāng)鉆井液濾液侵入泥頁巖中，使泥頁巖膨脹力降為零和最大限度減少鉆井液濾液在泥頁巖中的運移是鉆井液具有優(yōu)越抑制性的目標(biāo)。具體做法就是減小鉆井液濾失量，保證鉆井液濾液具有足夠的抑制性，侵入該層的鉆井液和其中的流體、巖石配伍而降低泥頁巖膨脹力。因此，對鉆井液抑制性的研究具有循序漸進的現(xiàn)實意義。

2 鉀銨基聚合物鉆井液優(yōu)選實驗研究

2．1 泥頁巖抑制劑單劑的優(yōu)選

泥頁巖中引起粘土水化膨脹的礦物主要是蒙脫石和混層礦物?，F(xiàn)場提供鉆屑和碎巖心的數(shù)量有限，且干擾大。因此采用人造巖屑進行實驗分析，放大蒙脫石以及伊蒙混層礦物含量進行線性膨脹率實驗和滾動回收率實驗。常用的粘土穩(wěn)定劑有KCl、KPAM、KPAN、CHM、XYL －1、SINT，其類型可簡單的分為提供K+和陽離子型抑制劑。不同濃度的粘土穩(wěn)定劑對蒙脫石的抑制能力不同，實驗研究表明，KCl、SINT、KPAM、KPAN、CHM、XYL －1 濃度分別在8%、2%、0.2%、1%、0.3%、1%具有最佳抑制效果。不同優(yōu)選抑制劑對實驗樣品的線性膨脹率如表2所示。不同泥頁巖抑制劑對鈉蒙脫石礦的抑制效果由好依次遞減的順序是8%KCl＞2%SINT＞0.2%KPAM＞1%KPAN ＞0.3%CHM ＞1%XYL－1，對實驗樣品1(高伊/蒙間層)2%SINT＞0.3%CHM＞1%XYL－1＞8%KCl和0.5%KPAM＞1%KPAN。

表2 抑制劑優(yōu)選實驗結(jié)果

2．2 線性膨脹率實驗評價

泥頁巖抑制劑單劑評價是形成性能更優(yōu)的鉆井液配方的基礎(chǔ)，但是綜合性能才是鉆井液配方的根本。通過鉆井液配方的線性膨脹率，確定最佳配方更能有助于在目前現(xiàn)場鉆井液配方的基礎(chǔ)上，提高鉆井液的抑制性，再進行滾動回收率的研究，進一步證實鉆井液具有良好的抑制性。改進前后鉆井液配方線性膨脹實驗結(jié)果如表3所示。由實驗結(jié)果可知，在改進前后的鉆井液中加入一定量的抑制劑后，對蒙脫礦和高含伊蒙混層樣品1的線性抑制性均得到增強。然而，改時后的B+0.3%KPAN在后續(xù)的滾動回收率實驗中有良好表現(xiàn)。

2．3 滾動回收率實驗研究

滾動回收率是評價在一定溫度、時間和5 r/min條件下對泥頁巖的抑制效果，即研究在一定熱穩(wěn)定性條件下對泥頁巖的抑制效果。二次回收率是研究鉆井液中泥頁巖抑制劑在鉆屑表面的吸附效果，它能更好地表達泥頁巖抑制劑對泥頁巖的抑制作用。實驗結(jié)果如表4所示。由表可知，改進后的鉆井液配方的一次、二次回收率比改進前的鉆井液配方均有較大程度的提高，在改進后的配方中加入0.3%KPAN，體系的一次回收率達到最大值88.9%，二次回收率也有較好顯示。

通過由線性膨脹率、滾動回收率實驗研究鉆井液配方性能，改進后的鉀銨基聚合物鉆井液性能穩(wěn)定(見表5)、抑制性明顯增強。線性膨脹率由59.73%下降到30%以內(nèi)(見表3);頁巖一次滾動回收率由47.7%上升到88.9%，二次回收率由4.3%上升到33.9%(見表4)。改進后的鉀銨基聚合物鉆井液體系抑制性均得到很大程度的改善。

表3 改進前后鉆井液配方線性膨脹實驗結(jié)果

表4 改進前后鉆井液配方滾動回收率實驗結(jié)果

表5 改進前后鉆井液配方性能

3 鉀銨基聚合物鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用

3．1 鉆井液參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)大牛地氣田地層特性以及實鉆情況，分段優(yōu)化設(shè)計了水平段水平井的鉆井液參數(shù)，避免井壁沖刷形成坍塌，并適當(dāng)降低當(dāng)量循環(huán)密度，避免產(chǎn)生壓力“激動”。嚴格控制斜井段和水平段鉆井液失水，防止地層含水量的快速升高，延長井壁坍塌周期，有效穩(wěn)定井壁。DPH－17井分段設(shè)計如表6所示。

表6 DPH－17井分段鉆井液性能及流變參數(shù)

3．2 鉆井液技術(shù)措施

為了保證鉀銨基聚合物鉆井液具有較好的應(yīng)用性能，在具體鉆進過程中，應(yīng)做到以下幾點。

(1)調(diào)整好鉆井液性能，物理防塌和化學(xué)防塌并重，做到低失水、高礦化度、高濾液粘度、適當(dāng)密度和粘度，有效地控制鉆井液中自由水向地層滲透，嚴禁負壓鉆進。

(2)鉆入易塌層段前，按鉆井液設(shè)計要求加入防塌劑，以后鉆進中要注意不斷補充。

(3)起鉆必須連續(xù)向井內(nèi)灌入鉆井液，保持液柱壓力。

(4)起鉆遇阻，應(yīng)下放鉆具到暢通井段開泵重新循環(huán)，避免因抽吸引起井塌。

(5)鉆進中發(fā)生泵壓升高、懸重下降、扭矩增加時應(yīng)停止鉆進，及時上提鉆具到暢通井段循環(huán)處理泥漿，采取沖、通、劃的方法處理。

(6)應(yīng)避免長時間定位循環(huán)，循環(huán)時避開井塌層段。

(7)因井塌造成起鉆遇卡，不能強提，要開泵活動鉆具，解卡起出后下鉆劃眼，處理阻卡井段。

(8)垮塌嚴重井段，應(yīng)提高鉆井液粘度和切力，提高鉆井液護壁與攜砂能力。

(9)鉆進過程中應(yīng)注意井口返出情況，起下鉆應(yīng)及時灌漿并密切注意鉆井液液面變化，避免漏失或灌漿不及時造成井壁失穩(wěn)，使井下始終保持一定的液柱壓力。

(10)完井液性能滿足工程要求，保證安全快速鉆進，縮短油氣層浸泡時間。具體實施方案依實鉆區(qū)塊儲層特性、所用鉆井液體系等確定。

3．3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

表7為DPH－17井水平段實鉆鉆井液性能。從表上可以看出，通過精細控制水平段各項鉆井液性能，實現(xiàn)了低密度、低失水、低切力、適當(dāng)動塑比鉆進。DPH－17井水平段長1195.9 m，水平段鉆井周期7天，全井鉆井周期35.21天，平均機械鉆速達到了14.08 m/h，水平段連續(xù)鉆遇210 m泥巖未發(fā)生遇阻現(xiàn)象，表明鉀銨基聚合物鉆井液能有效抑制泥巖水化，實現(xiàn)水平井安全快速成井。

表7 DPH－17井水平段實鉆鉆井液性能

4 結(jié)論

(1)石盒子組泥巖段失穩(wěn)的主要原因是鉆井液侵入該層，鉆井液抑制性不足，而產(chǎn)生的水化、膨脹、分散、運移。

(2)改進后的鉆井液配方為:4%懷安土+0.4%KPAM+0.4%KPAN+1%NH4－PAN+2%SPNH+0.3%KPAN，該體系性能良好穩(wěn)定，抑制性高。線性膨脹率低、滾動回收率高，能極大地減小膨脹壓，減小井壁失穩(wěn)風(fēng)險。

(3)通過在DPH－17井的應(yīng)用，表明鉀銨基聚合物鉆井液體系具有良好的抑制性，可以有效保證水平井快速穿越泥巖地層。

［1］ 劉向君，羅平亞．水敏性泥頁巖地層與鉆井液接觸時水化能力的實驗研究［J］．西南石油學(xué)院學(xué)報，1996，(3)．

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［3］ 陳麗萍，等．中江地區(qū)井壁失穩(wěn)機理及對策研究［J］．天然氣工業(yè)，2005，25(12)．

［4］ 鄧虎，孟英峰．泥頁巖穩(wěn)定性的化學(xué)與力學(xué)耦合研究［J］．石油鉆探技術(shù)，2003，31(1)．

［5］ 王旭宏．鉀銨基聚磺鉆井液體系在大牛地氣田水平井鉆井中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(8):31 －33，36．

［6］ 秦獻民，趙潤琦，路艷．中原老區(qū)井壁穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39，(2):28 －30，34．

［7］ 王旭宏．鉀銨基聚磺鉆井液體系在大牛地氣田水平井鉆井中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(8):31 －33，36．